表面缺陷對硅橡膠密封件接觸特性的影響

吳 健，張傳兵，董吉義，王友善，牛開放，呂慶航

[哈爾濱工業大學（威海）橡膠復合材料與結構研究所，山東 威海 264209]

硅橡膠密封件因其優異的物理和化學性能，在高精尖領域（如汽車電子、航空航天等）得到越來越廣泛的應用[1-2]。隨著航空航天技術的發展，橡膠密封件應用環境越來越廣，其遭受的環境考驗也越來越嚴苛，如導彈會面臨高原荒漠環境的挑戰，在沙暴等天氣中，狹小沙粒很容易進入導彈的密封圈中，影響導彈的作戰效能[3]。除了環境的影響，在密封件的加工和裝配過程中也會產生表面缺陷，加工造成的飛邊、毛刺等，裝配造成的表面劃傷，夾入的金屬屑、沙土等異物，都會嚴重影響密封件的密封性能[4]。在一些特殊場合，接觸界面上任何微小的表面缺陷都會極大地影響密封型材的接觸特性，進而導致泄漏，造成嚴重損失。

目前，國內外學者對密封件缺陷檢測進行了較多的研究。劉春等[5]利用中值濾波去掉圖像噪聲干擾，用Canny算法進行邊緣檢測，尤其是凸點缺陷的邊緣檢測。S.S.Bharathi等[6]利用灰度共生矩陣法計算紋理特征參量，提出了基于紋理分析的橡膠油密封件表面缺陷檢測方法。吳彰良等[7]提出了一種油封缺陷檢測及分類識別方法，設計并構建了油封缺陷在線視覺檢測系統。何博俠等[8]提出了基于三鏡頭相機組的航天系統用O形圈表面成像及其表面缺陷的全自動檢測方法。黃楓等[9]分析了Ω型艙門橡膠密封件在對稱的平面下壓位移荷載和均布線荷載作用下的變形和應力分布規律，得出了非對稱因素對密封件受力的影響規律，但沒有分析表面缺陷的影響。張峰等[10]對非理想形貌O形橡膠密封圈在不同密封間隙和介質壓力下的變形與受力情況進行了分析研究。然而，其非理想形貌只包括錯模、分模扯縮、分模飛邊，不包括接觸面凸起缺陷，且其缺陷并不處于密封界面。T.J.Park等[11]對鍍層鋼板與橡膠密封件間的球形磨粒進行了分析，結果顯示密封接觸表面即使存在非常小的球形磨粒，也會造成接觸表面嚴重磨損，導致疲勞失效。有些國外學者研究了接觸面粗糙度對密封效率和接觸特性等的影響[12-13]。然而，有關表面缺陷對密封型材接觸特性影響方面的研究則鮮有報道。

本工作基于自制的密封接觸特性測試裝置，探究表面缺陷對密封件接觸特性的影響。以不同直徑的沙粒表征表面缺陷的大小，研究其對接觸面積和接觸壓力的影響。

1 實驗

1.1 試驗設備

自主研發的密封接觸特性測試平臺見圖1。該平臺有豎直和前后兩個導軌，前后方向的導軌上由一個交流伺服電機控制夾持試樣的平臺前后移動，豎直方向的導軌上由電機控制夾持壓板的平臺上下移動。該平臺不僅可以進行試樣的垂向壓縮，還可實施密封試樣的剛度和摩擦等試驗。本試驗主要進行垂向壓縮，前后方向只用于調整試樣相對于壓板的位置，以便在每個壓板上產生不同壓縮量的壓痕。

圖1 密封接觸特性測試平臺

1.2 試驗方法

以典型的硅橡膠密封件為研究對象，以不同直徑的沙粒表征表面缺陷，直徑為0.3～1.0 mm共8個規格的沙粒，如圖2所示。試驗時，密封件的接觸面積記錄采用印泥方式，原理如圖3所示。

圖2 試驗沙粒示意

圖3 接觸印痕采集原理

試驗壓縮速率為10 mm·min-1，在室溫下進行。試樣固定后，在試樣上均勻地涂一層薄薄的印泥，將沙粒放到試樣的上表面正中位置，設置壓縮量進行壓縮，可得到一組接觸壓力數據和一條印痕；壓縮完成后，記錄試驗數據，取下沙粒，調整試樣位置，重新涂上印泥，放上沙粒，進行第2個壓縮量的壓縮試驗。重復上述步驟，每個沙粒進行一組壓縮，每組1～9 mm共9個不同的壓縮量。8個沙粒加上不放置沙粒共9組，每組重復進行5次，求取平均值。

2 結果與討論

2.1 接觸面積

不同壓縮量下直徑0.8 mm沙粒缺陷時密封件的接觸印痕見圖4。由圖4可以看出：每條印痕中間都會有空白的區域，這是沙粒缺陷導致密封件表面不接觸；壓縮量小時，空白區域邊緣一定范圍內的接觸壓力沒有或較小，不能形成有效密封，因此密封介質在壓力作用下可通過表面凸起缺陷周圍的不接觸區域和低接觸壓力區域，從而產生泄漏。當壓縮量大于6 mm時，印痕的上下兩邊開始出現內凹的現象，但是上下兩邊的中間卻存在凸起。其實這些凸起是經歷前面壓縮量時留下的，9 mm印痕上下兩邊的凸起是在3 mm左右壓縮量過程中留下來的。

圖4 直徑0.8 mm沙粒不同壓縮量下的接觸印痕

不同直徑沙粒缺陷下的壓縮量與接觸面積的變化規律如圖5所示。由圖5可以看出：壓縮量小于5 mm時，沙粒直徑越大，接觸面積越小，缺陷的存在嚴重減小密封界面接觸面積；壓縮量為6～9 mm時，接觸面積變化不明顯。這主要是由印泥記錄的特點造成的，印泥會記錄下整個壓縮過程中所有接觸過的面積，當壓縮量大于一定值后，會在印痕的上下兩邊造成多余的面積，當壓縮量大于6 mm，形成的印痕有一部分面積是前面行程中留下的，這部分不應計入。

圖5 不同直徑沙粒的接觸面積變化曲線

橡膠密封件表面在不同直徑沙粒印痕中心空白面積的變化曲線如圖6所示。由圖6可以看出，沙粒直徑越大，印泥中心空白面積越大，這意味著當表面缺陷越大時，缺陷點周圍密封性越差，越易引起泄漏。

圖6 不同直徑沙粒的印痕中心空白面積變化曲線

2.2 平均接觸壓力

平均接觸壓力是壓縮載荷與接觸面積的比值，用以評價整體的密封接觸特性。橡膠密封件表面有不同直徑沙粒時的平均接觸壓力變化曲線如圖7所示。由圖7可以看出，平均接觸壓力隨著壓縮量的增大，先迅速增大，到2 mm壓縮量左右達到最大值，然后快速減小，到6 mm壓縮量后，變得平緩。雖然沙粒缺陷可以使平均接觸壓力增大，但是從圖5可看出，有沙粒缺陷時的接觸面積比無沙粒時減小很多，因此缺陷的存在仍然是減弱了密封件的密封效果。

圖7 沙粒直徑對平均接觸壓力的影響

3 結論

（1）凸起缺陷的周圍會形成不接觸區域和低接觸壓力區域，密封介質較易通過該區域，從而導致泄漏。隨著凸起缺陷的增大，該區域的面積增大，缺陷點周圍密封性變差。

（2）凸起缺陷的存在使總的密封接觸面積減小，不利于密封，尤其是在壓縮量較小時，缺陷的存在會嚴重減小密封界面接觸面積。

（3）在平均接觸壓力方面，無論有無缺陷，隨著壓縮量的增大，平均接觸壓力先迅速增大到最大值，然后快速減小，最終變得平緩。缺陷的存在使平均接觸壓力有所增大，但是導致接觸面積減小，因此凸起缺陷最終仍然是使密封型材密封效果變差。